李耀翔，狄海廷，楊德嶺

（東北林業(yè)大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040）

實(shí)驗(yàn)教學(xué)是高等教育教學(xué)的重要組成部分，隨著教育的發(fā)展和進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生的能力和素質(zhì)過(guò)程中起著越來(lái)越重要的作用[1]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平也是某專(zhuān)業(yè)在科研水平和教學(xué)質(zhì)量方面的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)[2]。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展和與之相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)驗(yàn)教學(xué)的手段和方式也不斷地進(jìn)行改進(jìn)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目就是伴隨著信息技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)不僅能彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的軟肋，解決一些很難實(shí)現(xiàn)或不能實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，而且還能緩解實(shí)驗(yàn)資源的不足，解決實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)方面的問(wèn)題[3]。教育部從2017 年起開(kāi)展了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目的建設(shè)工作，鼓勵(lì)不同的學(xué)校、不同的專(zhuān)業(yè)探索個(gè)性化的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)方法和模式，依托數(shù)字化的特點(diǎn)，逐步形成開(kāi)放共享、教學(xué)效果優(yōu)良的實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系[4]。

1 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的背景

東北林業(yè)大學(xué)森林工程專(zhuān)業(yè)始建于1952 年，是國(guó)家級(jí)特色專(zhuān)業(yè)，2014 年被教育部、農(nóng)業(yè)部和國(guó)家林業(yè)局聯(lián)合列為“卓越農(nóng)林人才教育培養(yǎng)計(jì)劃”復(fù)合應(yīng)用型農(nóng)林人才培養(yǎng)改革試點(diǎn)專(zhuān)業(yè)[5-7]。森林工程專(zhuān)業(yè)是以森林生態(tài)資源建設(shè)與保護(hù)、開(kāi)發(fā)與利用為目的的一門(mén)綜合性應(yīng)用專(zhuān)業(yè)。它以森林生態(tài)學(xué)為依據(jù)研究森林合理采伐的方式和集材方式，研究木材生產(chǎn)的優(yōu)化規(guī)劃方案，進(jìn)行相應(yīng)的組織管理并獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益[8-9]。2014 年森林工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心被批準(zhǔn)為首批國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心[10-11]。

“木材生產(chǎn)技術(shù)”是森林工程專(zhuān)業(yè)中最核心、最重要的知識(shí)點(diǎn)之一[12]。然而由于木材生產(chǎn)涉及到森林經(jīng)營(yíng)、采伐、集材、運(yùn)材、制材等多個(gè)方面，其實(shí)際的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)存在著周期長(zhǎng)、危險(xiǎn)性高等因素，使得木材生產(chǎn)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐學(xué)習(xí)受到制約，同時(shí)森林采伐的不可逆性以及采伐對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞性加劇了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難度[13]?？偟膩?lái)說(shuō)，木材生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中主要面臨以下4 個(gè)方面的難題。

1） 采伐機(jī)、集材機(jī)、龍門(mén)吊等大型實(shí)驗(yàn)設(shè)備數(shù)量少、設(shè)備昂貴、操作復(fù)雜、運(yùn)行成本極高，一般這些大型設(shè)備只能通過(guò)視頻展示或者進(jìn)行理論講解，使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量難以保障。

2） 木材生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)存在著高危險(xiǎn)性。例如，采伐過(guò)程中學(xué)生容易受到伐倒樹(shù)木、采伐集材機(jī)械等設(shè)備的操作不當(dāng)?shù)仍斐傻囊馔鈧Γ@些不安全因素使得實(shí)驗(yàn)教學(xué)受到了很大局限。

3） 森林采伐的不可逆性以及采伐對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞性。森林采伐是一個(gè)不可逆的過(guò)程，而且現(xiàn)在國(guó)家實(shí)行森保政策，森林采伐實(shí)驗(yàn)難以開(kāi)展。

4） 木材生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)通過(guò)校企合作，學(xué)生每年都要赴東北的各林業(yè)局進(jìn)行實(shí)習(xí)，面臨著外出時(shí)間長(zhǎng)、人力物力消耗大、組織困難，存在著一定的不安全因素，實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的效果得不到保障[14-15]。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的目的

為了解決上述困難，克服野外實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的受限性，開(kāi)發(fā)了木材生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，在2020年獲得了首批國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)一流課程稱(chēng)號(hào)。該項(xiàng)目能夠全方位、立體化真實(shí)再現(xiàn)森林工程學(xué)科實(shí)踐實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景，通過(guò)虛擬交互完成實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，借助虛擬仿真技術(shù)讓小課堂變成了大型實(shí)踐實(shí)訓(xùn)基地，拓展了實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，有效地解決了實(shí)驗(yàn)實(shí)踐環(huán)節(jié)存在的困難和問(wèn)題。

通過(guò)木材生產(chǎn)實(shí)訓(xùn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，學(xué)生可高效地學(xué)習(xí)和掌握以下內(nèi)容：一是掌握木材生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)模型；二是掌握油鋸、伐木頭等伐木設(shè)備的工作原理及伐木的技術(shù)要領(lǐng)；三是掌握常見(jiàn)的集材方式方法；四是掌握木材加工工藝的流程和特點(diǎn)；五是了解選材的方法及其基本原理；六是了解伐區(qū)清理的基本方法。

3 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目建設(shè)的內(nèi)容

木材生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目包含森林經(jīng)營(yíng)、伐木作業(yè)、集材作業(yè)、原條造材及選材、原木制材5 個(gè)模塊。木材生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目界面見(jiàn)圖1。

圖1 木材生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目界面

3.1 森林經(jīng)營(yíng)可視化模擬模塊

模塊的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要包括林分結(jié)構(gòu)可視化和森林經(jīng)營(yíng)可視化。林分結(jié)構(gòu)可視化是以地理數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以林業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)為內(nèi)容，結(jié)合相關(guān)模型和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，構(gòu)建森林對(duì)象，對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的林分結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬、分析、預(yù)測(cè)等。森林經(jīng)營(yíng)可視化以解決復(fù)雜的森林管理規(guī)劃和經(jīng)營(yíng)問(wèn)題為目標(biāo)，以森林環(huán)境可視化為載體，以森林經(jīng)營(yíng)理論為基礎(chǔ)，對(duì)森林生長(zhǎng)及相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行定性與定量的分析。具體實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：森林的生長(zhǎng)過(guò)程模擬、撫育間伐的經(jīng)營(yíng)過(guò)程及其效果模擬、更新造林過(guò)程及其效果模擬、森林主伐更新過(guò)程及其效果模擬、最優(yōu)的經(jīng)營(yíng)方案及措施選取、預(yù)測(cè)未來(lái)森林狀況、森林經(jīng)營(yíng)活動(dòng)對(duì)森林狀況的影響。

3.2 伐木作業(yè)虛擬仿真模塊

它是在虛擬森林環(huán)境中對(duì)伐木作業(yè)進(jìn)行流程模擬和可視化模擬。即結(jié)合虛擬森林環(huán)境中的地形條件、樹(shù)種類(lèi)別、樹(shù)木的位置、胸徑、樹(shù)高、樹(shù)齡及林分空間結(jié)構(gòu)等信息，根據(jù)系統(tǒng)提供的不同的伐木機(jī)械、不同的伐木強(qiáng)度、不同的伐木方式進(jìn)行伐木作業(yè)仿真。可對(duì)不同方式的伐木作業(yè)進(jìn)行對(duì)比分析（如時(shí)間、成本、生產(chǎn)效率、林地?cái)_動(dòng)、生態(tài)環(huán)境影響），從中選出最優(yōu)的采伐模式。具體可以模擬油鋸伐木作業(yè)、聯(lián)合伐木機(jī)伐木作業(yè)、油鋸拆裝、伐木機(jī)拆裝、伐區(qū)清理5 個(gè)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

3.3 集材作業(yè)虛擬仿真模塊

集材作業(yè)虛擬仿真是以林區(qū)地形、地貌基本數(shù)據(jù)及林業(yè)調(diào)查數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，結(jié)合機(jī)械作業(yè)基本數(shù)據(jù)，對(duì)不同集材機(jī)械作業(yè)時(shí)間、效率及林地?cái)_動(dòng)情況進(jìn)行模擬研究。模塊包含了主要的集材方式，如集材機(jī)集材、拖拉機(jī)集材、裝載機(jī)集材、索道集材、畜力集材、滑道集材等，可以分析作業(yè)機(jī)械、林分、作業(yè)方式之間的關(guān)系，同時(shí)研究不同方案的作業(yè)生產(chǎn)率、成本及林地?cái)_動(dòng)情況。

3.4 原條造材及選材作業(yè)虛擬仿真模塊

原條造材是根據(jù)輸入的原條長(zhǎng)級(jí)、徑級(jí)及各種木材缺陷，按材種計(jì)劃，列出各種備選量材方案，并按售價(jià)最大化原則，給出最優(yōu)的量材方案，對(duì)備選方案與量材方案進(jìn)行比較和評(píng)價(jià)分析。原木選材包括原木的篩選、吊運(yùn)及裝卸作業(yè)，可分析出不同作業(yè)模式下的生產(chǎn)效率及作業(yè)成本。

模塊是集現(xiàn)代原木生產(chǎn)管理理念和先進(jìn)工藝技術(shù)的實(shí)驗(yàn)實(shí)踐教學(xué)體系，采用先進(jìn)的智能技術(shù)、程控技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、光電感應(yīng)量材技術(shù)和原木生產(chǎn)信息化管理技術(shù)，展現(xiàn)原木自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)、工作原理、技術(shù)參數(shù)和原木生產(chǎn)系統(tǒng)布局，解決原條造材優(yōu)化技術(shù)與自動(dòng)選材技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)問(wèn)題，解決學(xué)生對(duì)貯木場(chǎng)原木自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、自動(dòng)化控制、智能技術(shù)、原條造材優(yōu)化、貯木場(chǎng)原木生產(chǎn)信息化管理和原木自動(dòng)化生產(chǎn)裝備設(shè)計(jì)等實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的教學(xué)問(wèn)題。

3.5 原木制材虛擬仿真模塊

原木制材虛擬仿真模塊通過(guò)激光無(wú)損檢測(cè)掃描獲取原木外部形狀和缺陷信息，以及根據(jù)開(kāi)發(fā)的數(shù)學(xué)模型，基于掃描的原木外部缺陷信息而獲得內(nèi)部缺陷信息，并將所有的信息存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù)中。系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)的調(diào)用可以模擬原木的三維可視化（包括各種彎曲形狀、外部、內(nèi)部缺陷空間位置），然后對(duì)其進(jìn)行虛擬鋸切，最后顯示鋸切后的三維板材并將鋸切結(jié)果存儲(chǔ)到系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。模塊對(duì)可視化的三維原木進(jìn)行虛擬鋸切及優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)木材的高效低耗利用。

4 實(shí)驗(yàn)考核的方式和方法

所開(kāi)發(fā)的木材生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目利用數(shù)字化的特點(diǎn)和森林工程國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)，通過(guò)以下方法對(duì)學(xué)生進(jìn)行全方位、系統(tǒng)的考核。

1） 利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)過(guò)程的管理。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，學(xué)生在線(xiàn)進(jìn)行實(shí)時(shí)操作，系統(tǒng)記錄并分析學(xué)生的操作過(guò)程，對(duì)實(shí)驗(yàn)操作的規(guī)范性和流程性進(jìn)行考核，形成考核成績(jī)，通過(guò)自動(dòng)考核方法能使教師準(zhǔn)確地掌握學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的實(shí)際情況。

2） 利用森林工程國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的評(píng)估考核功能。為了讓學(xué)生能更好地對(duì)學(xué)習(xí)效果進(jìn)行自我評(píng)估，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)提供自動(dòng)考核功能，學(xué)生在完成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的提交后，平臺(tái)可自動(dòng)評(píng)閱，直接顯示分?jǐn)?shù)和失分點(diǎn)。系統(tǒng)還提供實(shí)驗(yàn)考核功能，可自動(dòng)辨別學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的熟練程度和正確率，根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作中存在的錯(cuò)誤對(duì)欠缺的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行整理并提供給學(xué)生，實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)過(guò)程的管理。

3） 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)提供數(shù)據(jù)分析功能?？梢詫?shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)成績(jī)的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)和匯總，為教師提供方便。為了能使教師更好地了解學(xué)生的實(shí)驗(yàn)水平，平臺(tái)提供數(shù)據(jù)挖掘模塊，可通過(guò)各種數(shù)據(jù)的分析，為教師提供更多有效信息。

5 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的特色與創(chuàng)新

1） 強(qiáng)化生態(tài)文明，提高作業(yè)安全意識(shí)。將生態(tài)文明意識(shí)融入到森林工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目中。木材生產(chǎn)虛擬仿真項(xiàng)目，本著“虛實(shí)結(jié)合、以虛補(bǔ)實(shí)、以實(shí)促虛”的原則，借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，融入林業(yè)可持續(xù)發(fā)展、水土資源保護(hù)、動(dòng)物保護(hù)等生態(tài)條件，模擬森工規(guī)劃、木材生產(chǎn)等一系列作業(yè)過(guò)程中的生態(tài)問(wèn)題及環(huán)境效應(yīng)，強(qiáng)化學(xué)生的生態(tài)文明意識(shí)。通過(guò)真實(shí)再現(xiàn)森林作業(yè)環(huán)境中苛刻的自然條件及高危作業(yè)情景，使學(xué)生在虛擬體驗(yàn)式教學(xué)過(guò)程中深刻體驗(yàn)實(shí)際森林作業(yè)環(huán)境中的危險(xiǎn)因素，加強(qiáng)學(xué)生的安全意識(shí)。

2） 通過(guò)木材生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，全方位、立體化真實(shí)再現(xiàn)森林工程學(xué)科實(shí)踐實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景，克服了由于木材生產(chǎn)作業(yè)的高危險(xiǎn)性、森林采伐的不可逆性以及采伐對(duì)生態(tài)環(huán)境的破壞性等因素造成的傳統(tǒng)方式難以滿(mǎn)足實(shí)踐實(shí)訓(xùn)的需求，有效解決了野外實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的受限性，借助虛擬仿真技術(shù)讓小課堂變成了大型實(shí)踐實(shí)訓(xùn)基地。

3） 森林工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)融合了實(shí)驗(yàn)方案“設(shè)計(jì)—實(shí)施—效果評(píng)價(jià)—方案整改—再評(píng)價(jià)”的整個(gè)環(huán)節(jié)，在優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方案的同時(shí)使學(xué)生更好地對(duì)所學(xué)的理論知識(shí)進(jìn)行深刻體驗(yàn)。借助虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目，學(xué)生可以自主選擇實(shí)驗(yàn)時(shí)間及實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，可充分調(diào)動(dòng)學(xué)生自主能動(dòng)性，成為了培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的實(shí)踐實(shí)訓(xùn)平臺(tái)。

6 結(jié)束語(yǔ)

木材生產(chǎn)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目依托東北林業(yè)大學(xué)森林工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心平臺(tái)，以森林工程專(zhuān)業(yè)人才培養(yǎng)方案和木材生產(chǎn)技術(shù)與管理、森工規(guī)劃設(shè)計(jì)、森工機(jī)械與裝備、森工裝備仿真技術(shù)等課程的大綱為依托，以提高教學(xué)質(zhì)量、培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題、解決問(wèn)題的能力為宗旨，借助先進(jìn)的虛擬仿真技術(shù)，開(kāi)發(fā)多元化虛擬仿真教學(xué)資源并實(shí)現(xiàn)共享。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量，在人才培養(yǎng)方面發(fā)揮了重要的作用。